張振國，鮑海榮，張 謙，孫 斌，葉榮兵，方 超

(1. 中鐵十二局集團有限公司，太原 030024；2. 華東交通大學土木建筑學院，南昌 330044)

空心薄壁高墩作為跨越山谷的主要墩柱類型，具有節(jié)省混凝土用量、自重較輕、地基基礎(chǔ)適應(yīng)性強等優(yōu)點，隨著翻模施工工藝的日益成熟和普及，其在橋梁工程中的應(yīng)用日漸廣泛[1]。考慮到南方山谷氣候干燥、日光照射強烈、日夜溫差大等特點，暴露于外界自然環(huán)境中的空心薄壁橋墩在大氣溫度、輻射換熱及日照輻射作用下，墩柱的內(nèi)外壁容易形成較大溫度差異，從而出現(xiàn)對墩體不利的溫度應(yīng)力，導致裂縫產(chǎn)生，這會嚴重影響橋梁的使用安全。為探討空心薄壁高墩在日照溫度效應(yīng)下的力學性能，不少學者通過現(xiàn)場實測的方法對墩壁溫度場分布進行研究[2-4]，并應(yīng)用解析法探討其力學性能。但考慮到日照溫度效應(yīng)具有較強的地域差異，采用現(xiàn)場實測往往只能針對某一地區(qū)、特定尺寸的空心墩進行分析，具有明顯局限性，因此開展有限元分析成為其有效補充。目前學者顧皓瑋等[5]、楊美良等[6]、李彪等[7]基于現(xiàn)場實測，結(jié)合橋址地理數(shù)據(jù)和氣象條件建立了相關(guān)數(shù)值仿真模型，在與實測結(jié)果對比驗證的基礎(chǔ)上，研究了空心薄壁高墩的日照溫度應(yīng)力分布規(guī)律和溫度變形，但鮮有關(guān)于不同氣象參數(shù)和結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)下溫度場效應(yīng)的文獻研究。

針對上述問題，以贛深高鐵王村特大橋40.2 m高的圓端形空心薄壁橋墩為研究對象，通過在墩壁截面埋設(shè)溫度傳感器，測量全天墩壁日照溫度場分布，應(yīng)用midas FEA軟件建立空心薄壁高墩溫度場空間有限元模型，對比數(shù)值分析結(jié)果與實測數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上研究風速和墩壁厚度對空心薄壁高墩日照溫度效應(yīng)的影響。

1 溫度場現(xiàn)場測試

1.1 傳感器布置及測試方法

贛深高鐵王村特大橋為主跨32 m的簡支梁橋，空心薄壁高墩墩身正、側(cè)面圖如圖1所示。為探討日照溫度效應(yīng)對空心薄壁高墩的影響，選取本橋最大墩身高度為40.2 m的空心橋墩作為研究對象，在墩身截面順橋向以及橫橋向4個方位安裝JMT-36B溫度傳感器來測試不同時刻橋墩沿壁厚方向的溫度，墩身截面及溫度測點布置如圖2所示。溫度傳感器豎向布置在距墩底10 m處，其中順橋向和橫橋向各安裝2排，每排均有5個溫度傳感器，間距為0.125 m，共計20個溫度傳感器，采用JMZX-3001綜合測試儀進行溫度測量。

(a) 墩身截面(單位：cm)

1.2 實測數(shù)據(jù)分析

選取當?shù)叵募咎鞖馇缋?、風速較小、太陽照射強烈、晝夜溫差大的3 d(2019年7月28日、7月30日和8月2日)對該墩截面開展現(xiàn)場日照溫度實測，測試間隔為2 h，圖3～圖5分別為7月28日、7月30日和8月2日溫度實測數(shù)據(jù)變化，各側(cè)墩壁的最高溫度、最低溫度和內(nèi)外溫差如表1所示。

由圖3～圖5及表1可知，選取的3 d測試得到的空心薄壁高墩溫度場分布規(guī)律大致相同，其中北側(cè)墩壁均在14：00左右達到溫度峰值，此時前后3 d墩壁內(nèi)外溫差分別為16.7 ℃、16.2 ℃和15.4 ℃；東側(cè)墩壁均在12：00左右達到溫度峰值，此時前后3 d墩壁內(nèi)外溫差分別為13.3 ℃、13.1 ℃和12.9 ℃；南側(cè)墩壁均在16：00左右達到溫度峰值，此時前后3 d墩壁內(nèi)外溫差分別為15.3 ℃、16.3 ℃和15.6 ℃；西側(cè)墩壁均在16：00左右達到溫度峰值，此時前后3 d墩壁內(nèi)外溫差分別為15.2 ℃、15.3 ℃和15.1 ℃。

(a) 北側(cè)墩壁1

(a) 北側(cè)墩壁2

(a) 北側(cè)墩壁3

表1 各側(cè)墩壁的最高溫度、最低溫度和內(nèi)外溫差 (℃)

2 日照溫度效應(yīng)數(shù)值模擬

應(yīng)用midas FEA軟件建立空心薄壁高墩的有限元模型，其中墩高按40 m選取，采用自動實體網(wǎng)格(六面體主導)進行網(wǎng)格劃分，劃分長度為0.125 m。主墩采用C35混凝土，相應(yīng)的導熱系數(shù)和比熱分別按2.45 J/(m·s·K)和912 J/(kg·K)取值。模型中采用對流換熱系數(shù)函數(shù)、溫度環(huán)境函數(shù)表征對流換熱、太陽輻射以及混凝土結(jié)構(gòu)與周圍環(huán)境的輻射換熱這三種荷載效應(yīng)，對流換熱系數(shù)的函數(shù)表達式[6]為

αc=6.35+3.46v+αr

(1)

式中，αc為對流換熱系數(shù)，W/(m2·K)；v為場地的實測風速；αr為墩外表面輻射。

midas FEA軟件中溫度環(huán)境函數(shù)一般以用戶定義的綜合氣溫進行設(shè)定，相應(yīng)的表達式為

Tsa=Ta+αI/αc

(2)

式中，Tsa為綜合氣溫；Ta為外界氣溫；I為日照輻射強度，W/m2；α為混凝土吸熱率，取0.55 ℃/K；αc為對流換熱系數(shù)。

研究選取具有代表性的7月28日相關(guān)數(shù)據(jù)開展數(shù)值分析，根據(jù)當?shù)貧庀蟛块T資料和現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，取平均風速為2 m/s，墩外表面輻射為5.6 W/(m2·K)，各側(cè)墩壁日照輻射強度及外界氣溫如表2所示，其中墩壁日照輻射強度通過MS-402日照強度計實測求得。在墩身外部，由式(1)可以求得對流換熱系數(shù)為18.87 W/(m2·K)，結(jié)合式(2)和表2可計算得到各側(cè)墩壁綜合氣溫，如表3所示；在墩身的內(nèi)部，由于沒有風速及表面輻射的影響，由式(1)可知對流換熱系數(shù)為6.35 W/(m2·K)，而綜合氣溫按早晨6：00外界氣溫20 ℃取值。

表2 各側(cè)墩壁日照輻射強度及外界氣溫

表3 各側(cè)墩壁綜合氣溫 (℃)

2.1 溫度云圖分析

建立數(shù)值仿真模型，應(yīng)用熱傳遞分析方法，給出7月28日具有代表性的4個時刻溫度云圖，如圖6所示?？招谋”诟叨盏臏囟葓龇植记闆r隨時間的變化而變化，墩身外側(cè)壁受外界溫度的影響較大，而內(nèi)側(cè)壁的溫度變化較小，溫度分布更加穩(wěn)定，這是由于混凝土導熱性能差，并且內(nèi)部處于封閉狀態(tài)的高墩無法與外界進行熱對流。10：00左右太陽持續(xù)照射空心薄壁高墩的東側(cè)，墩體溫度上升較快。東側(cè)壁板在12：00左右達到最高溫度 33.9 ℃，此時內(nèi)外壁的溫差達到13.6 ℃。北側(cè)壁板最高溫度發(fā)生在14：00左右，為36.4 ℃，內(nèi)外壁溫差達到16 ℃。南側(cè)壁板最高溫度發(fā)生在16：00左右，為37.1 ℃，內(nèi)外壁溫差達到16.1 ℃。西側(cè)壁板最高溫度發(fā)生在16：00左右，為36.2 ℃，內(nèi)外壁溫差達到15.3 ℃。壁板的最高實測溫度也比當天的最高氣溫更高，這是由于混凝土外側(cè)墩壁吸收了大量陽光照射的能量而導致其溫度升高，同時也說明空心薄壁高墩壁對氣溫變化的敏感性強，混凝土導熱性能差及其溫度分布不均勻。

(a) 10：00

2.2 分析結(jié)果對比

應(yīng)用上述建立的數(shù)值仿真模型，給出7月28日溫度場分布數(shù)值結(jié)果與實測結(jié)果對比，如圖7所示。

(a) 北側(cè)墩壁4

由圖7可知數(shù)值分析結(jié)果和實測數(shù)據(jù)大致吻合。北側(cè)、東側(cè)、南側(cè)和西側(cè)墩壁產(chǎn)生最大溫差的時刻分別為14：00、12：00、16：00及16：00，與實測數(shù)據(jù)出現(xiàn)最大溫差的時刻基本相同，表明通過合適的對流系數(shù)函數(shù)、溫度環(huán)境函數(shù)參數(shù)選取，應(yīng)用midas FEA軟件進行空心薄壁高墩日照溫度效應(yīng)數(shù)值分析具有較好的精準性。

3 參數(shù)分析

本節(jié)利用上述數(shù)值仿真模型，研究風速和墩壁厚度對空心薄壁高墩日照溫度效應(yīng)的影響。分析時橋墩高度、外觀尺寸不變，日照溫度選用7月28日的溫度場分布。

3.1 風速

考慮到在山谷地區(qū)橋墩的日照溫度效應(yīng)受風速影響較大，因此選取風速為0 m/s、2 m/s、4 m/s和6 m/s的4種情況進行溫度效應(yīng)的參數(shù)分析。不同風速下的主墩溫度應(yīng)力和墩頂最大位移如表4所示，分析時墩壁厚度取0.5 m，其中不同風速下的對流換熱系數(shù)函數(shù)和溫度環(huán)境函數(shù)由式(1)求得。

表4 不同風速下的主墩溫度應(yīng)力和墩頂最大位移

由表4可知，隨著風速的增大，由日照溫差引起的墩身截面最大拉應(yīng)力、最大壓應(yīng)力和墩頂最大位移均呈單調(diào)遞減趨勢，這是由于風速的增大能夠加快空心薄壁高墩表面的對流換熱速度，減少墩壁內(nèi)外溫差，從而減小日照溫度應(yīng)力并降低墩頂變形。

3.2 墩壁厚度

為探討墩壁厚度對日照溫度效應(yīng)的影響，分別選取0.3 m、0.5 m、0.7 m和0.9 m的不同墩壁厚度，對其溫度應(yīng)力和變形進行分析，不同墩壁厚度下的溫度應(yīng)力和墩頂最大位移如表5所示，且分析時風速按2 m/s考慮。

由表5可知，日照溫度應(yīng)力和墩頂最大位移均隨著墩壁厚度的增大而逐漸降低。這是由于隨著墩壁厚度的增加，在不同時刻日照溫度場分布基本保持不變，即日照溫度影響的墩壁厚度范圍基本保持不變，導致產(chǎn)生最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力的位置從墩外壁向墩壁中心移動，而墩壁厚度的增加將加大截面剛度，因此降低了溫度應(yīng)力和墩頂位移。

表5 不同墩壁厚度下的溫度應(yīng)力和墩頂最大位移

4 結(jié)論

以贛深高鐵王村特大橋40.2 m高的圓端形空心薄壁橋墩為研究對象，通過在墩壁截面埋設(shè)溫度傳感器，測量全天墩壁的日照溫度情況，應(yīng)用midas FEA軟件建立空心薄壁高墩的溫度場空間有限元模型，并將數(shù)值分析結(jié)果與實測數(shù)據(jù)進行對比，在此基礎(chǔ)上分析風速及墩壁厚度對空心薄壁高墩日照溫度效應(yīng)的影響，得到以下結(jié)論。

(1) 空心薄壁高墩的日照溫度場在截面墩壁厚度方向呈非線性分布規(guī)律，其中外側(cè)壁受外界氣溫條件影響較大，而內(nèi)側(cè)壁的溫度變化較小，溫度分布更加穩(wěn)定。

(2) 基于合適的對流系數(shù)函數(shù)、溫度環(huán)境函數(shù)參數(shù)選取，應(yīng)用midas FEA軟件進行空心薄壁高墩日照溫度效應(yīng)數(shù)值分析具有較好的精準性。

(3) 日照溫度效應(yīng)對環(huán)境風速和墩壁厚度較為敏感，其應(yīng)力值和墩頂變形隨風速的增大和墩壁厚度的增加呈單調(diào)遞減趨勢。